KR101360011B1 - 전력 전송 장치, 전력 수신 장치, 및 전력 전송 시스템 - Google Patents

전력 전송 장치, 전력 수신 장치, 및 전력 전송 시스템 Download PDF

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가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

전력 전송 시스템(301)은 전력 전송 장치(101)와 전력 수신 장치(201)를 구비한다. 전력 전송 장치(101)는 고주파 전압 발전기(11), 압전 공진기(21), 전력 전송 장치측 수동 전극(2), 및 전력 전송 장치측 능동 전극(3)을 구비한다. 전력 수신 장치(201)는 압전 공진기(22), 부하(RL), 전력 수신 장치측 수동 전극(7), 및 전력 수신 장치측 능동 전극(6)을 구비한다. 전력 전송 장치(101)의 능동 전극(3)과 전력 수신 장치(201)의 능동 전극(6)은 서로에게 근접해 있으며 이에 의해 전력 전송 장치와 전력 수신 장치는 전극 세트와 주변 유전 매체를 통하여 용량성 결합된다.

Description

전력 전송 장치, 전력 수신 장치, 및 전력 전송 시스템{POWER TRANSMITTING DEVICE, POWER RECEIVING DEVICE, AND POWER TRANSMISSION SYSTEM}
본 발명은 전력 전송 장치, 전력 수신 장치, 및 비접촉 방식으로 전기 전력을 전달하는 전력 전송 시스템에 관한 것이다.
PTL 1은 용량성 결합을 통하여 전기 전력을 전달하도록 구성되는 시스템을 개시한다.
PTL 1에 기술되는 전력 전송 시스템은: 고주파 전압 발전기를 구비하는 전력 전송 장치, 발전기 능동/수동 전극들의 커플을 한정하는 발전 전극들; 고주파 전압 부하를 포함하는 전력 수신 장치, 및 부하측 능동/수동 쌍을 한정하는 전동 전극들을 포함한다.
능동 전극에 인가되는 것보다 낮은 전압이 발전 전극들 중에서 수동 전극에 인가되고, 능동 전극에 인가된 것보다 낮은 전압은 전동 전극들 중에서 수동 전극에 인가된다.
본 시스템에 사용되는 고주파 전압은 10kHz 내지 10MHz 범위의 주파수와 100V 내지 10kV 범위의 전압을 가진다. 고주파 전압의 주파수가 이 범위 내에 있을 때, 장치는 전자기파 형태의 에너지를 방사하지 않고, 정전기장은, 주변 매체 내의 파장(λ)이 장치의 크기(D)에 비하여 충분히 크거나 D<<λ이기 때문에, 주변 매체 내에서 생성된다.
도 1은 PTL 1의 전력 전송 시스템의 기본 구성을 도시한다. 전력 전송 장치는 고주파 전압 발전기(1), 수동 전극(2), 및 능동 전극(3)을 구비한다. 전력 수신 장치는 고주파 전압 부하(5), 수동 전극(7), 및 능동 전극(6)을 구비한다. 전력 전송 장치의 능동 전극(3)과 전력 수신 장치의 능동 전극(6)은 서로에 대하여 근접하게 위치되고 고 전기장 영역(4)에 의해 감싸이고 전력 전송 장치와 전력 수신 장치는 발전 및 전동 전극들과 주변 유전 매체를 통하여 용량적으로 결합된다.
[PTL 1] 국제특허 출원의 국내 공개 번호 제2009-531009호
전력 전송 장치로부터 전력 수신 장치로 용량성 결합을 통하여 전력을 전달하도록 구성되는, PTL 1에 기술된 것과 같은, 전력 전송 시스템에서, 고주파에서 고전압은 전력 전송 효율을 증가시키는데 필요하다. 따라서, 승압 회로는 전력 전송 장치측에 마련되고 강압 회로는 전력 수신 장치측에 마련된다. 통상, 권선 변압기들은 승압 회로와 강압회로로서 사용되고 전극의 구조는 권선 변압기의 2차 권선에 병렬로 연결되는 등가 캐패시터에 이르게 한다. 이러한 구성에서, 공진 캐패시터의 정전용량과 권선 변압기의 2차측의 누설 인덕턴스로 구성되는 회로는 승압 회로로서 공진하고 작용한다.
그러나, 권선 변압기는 필요한 인덕턴스를 제공하기에 충분히 큰 크기를 가지며, 따라서 그 높이를 줄이는 것은 어렵다. 권선 변압기는 다른 일반적인 전자 부품들에 비하여 매우 큰 크기를 가진다고 말할 수 있다. 더욱이, 권선 변압기와 다른 회로들 사이의 원하지 않는 결합이 발생될 수 있다. 특히, 공진 누설 권선 변압기의 경우, 많은 양의 누설 자속이 있다. 이러한 인자들은 권선 변압기의 배열을 제한하고 전체 장치의 크기를 증가시킨다.
나아가, 권선 변압기가 효율적으로 차폐되지 않을 때, 변압기의 코일 성능(Q 인자)은 근처의 전도성 재료들에 의해 강하게 영향을 받는다.
따라서, 본 발명의 목적은 작고, 가볍고, 권선 변압기를 사용함으로써 야기되는 상기한 문제들을 피할 수 있는 전력 전송 장치, 전력 수신 장치, 및 전력 전송 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 다른 전력 전송 장치는: 전력 전송 장치측 능동 전극; 전력 전송 장치측 수동 전극; 및 전력 전송 장치측 능동 전극과 전력 전송 장치측 수동 전극 사이에 연결되는 고주파 전압 생성 회로;를 구비하도록 구성된다. 고주파 전압 생성 회로는 LC 공진 회로를 가지는 승압 회로를 구비하고 LC 공진 회로의 인덕터는 압전소자로 구성된다.
본 발명에 다른 전력 수신 장치는: 전력 수신 장치측 능동 전극; 전력 수신 장치측 수동 전극; 및 전력 수신 장치측 능동 전극과 전력 수신 장치측 수동 전극 사이에 연결되는 부하 회로;를 구비하도록 구성된다. 부하 회로는 LC 공진 회로를 가지는 강압 회로를 구비하고 LC 공진 회로의 인덕터는 압전소자로 구성된다.
본 발명에 따른 전력 전송 시스템은 전력 전송 장치와 전력 수신 장치가 발전 및 전동 전극들과 주변 유전체를 통하여 용량성 결합되도록 구성된다.
본 발명에 따르면, 전체 장치는 크기가 축소되고 자속의 누설이 방지된다. 더욱이, 전달 효율이 증가된다.
도 1은 PTL 1에 기술된 전력 전송 시스템의 기본 구성을 도시한다.
도 2a는 제1실시예에 따른 결합되지 않는 전력 전송 장치(101)의 회로도이다.
도 2b는 압전 공진기(21)의 등가회로이다.
도 2c는 고주파 전압 발전기(11)에 의해 발전된 전압의 주파수가 공진 주파수(fr) 내지 반공진 주파수(fa)의 주파수 범위 내에 있는 주파수인 경우에 대한 제1실시예에 따른 전력 전송 장치(101)의 등가회로이다.
도 3은 압전 공진기(21)의 임피던스와 위상의 주파수 특성을 도시하는 그래프이다.
도 4a는 제2실시예에 따른 결합되지 않은 전력 수신 장치(201)의 회로도이다.
도 4b는 압전 공진기(22)의 등가회로이다.
도 4c는 캐패시터(C2)의 용량성 결합을 통하여 수신된 전압의 주파수가 도 3에 도시된 공진 주파수(fr) 내지 반공진 주파수(fa)의 범위에 있는 주파수인 경우에 대한 제2실시예에 따른 전력 수신 장치(201)의 등가회로이다.
도 5는 제3실시예에 따른 전력 전송 시스템(301)의 회로도이며, 결합계수(k)와 2개의 정전용량들(C1, C2)은 전극들의 시스템 사이에 결과적인 정전 결합을 나타낸다.
도 6은 길이방향 개방 단부를 가지는 전력 전송 시스템(301)의 예시적인 구성을 도시한다.
도 7은 제3실시예에 따른 전력 전송 시스템(301)의 개략적인 단면도이다.
도 8a는 제4실시예에 따른 전력 전송 장치(102)의 회로도이다.
도 8b는 압전 공진기(21)의 등가회로이다.
도 8c는 고주파 전압 발전기(11)에 의해 발전된 전압의 주파수가 공진주파수(fr) 내지 반공진 주파수(fa)의 주파수 범위에 있는 주파수인 경우에 대한 제4실시예에 따른 전력 전송 장치(102)의 등가회로이다.
도 9a는 제5실시예에 따른 전력 수신 장치(202)의 회로도이다.
도 9b는 압전 공진기(22)의 등가회로이다.
도 9c는 캐패시터(C2)의 용량성 결합을 통하여 수신된 전압의 주파수가 도 3에 도시된 공진주파수(fr) 내지 반공진주파수(fa)의 주파수 범위에 있는 주파수인 경우에 대한 제5실시예에 다른 전력 수신 장치(202)의 등가회로이다.
도 10은 제6실시예에 따른 전력 전송 시스템(302)의 회로도이다.
도 11a는 제7실시예에 따른 전력 전송 시스템(303)의 회로도이다.
도 11b는 제7실시예에 따른 전력 전송 시스템(303)의 등가회로이다.
[제1실시예]
제1실시예에 따른 전력 전송 장치는 도 2a 내지 2c 및 도 3을 참조하여 설명될 것이다.
도 2a는 제1실시예에 따른 결합되지 않는 전력 전송 장치(101)의 회로도이다. 전력 전송 장치(101)는 고주파 전압발전기(11) 그리고 압전 공진기(21)를 구비한다. 등가 캐패시터(C1)는 수신 장치가 없을 때 2개의 발전 전극들 사이에서 얻어지는 정전용량을 나타낸다. 압전 공진기(21)와 등가 캐패시터(C1)은 고주파 전압 발전기(11)에 직렬로 연결된다.
도 2b는 압전 공진기(21)의 등가회로이다. 도 3는 압전 공진기(21)의 임피던스와 위상의 주파수 특성을 도시하는 그래프이다. 도 3에서, 로그 눈금은 임피던스 축(수직축)에 대해 사용되고 선형 눈금은 주파수 축(수평축)에 대해 사용된다. 압전 공진기(21)는 캐패시터(Co)로 이루어진 병렬 회로와 인덕터(L1)와 캐패시터(C11)로 이루어진 직렬 회로로 나타낸다. 캐패시터(C11)는 기계적인 스프링이나 고무의 탄성력에 상응하는 등가 컴프라이언스(equivalent compliance)를 나타낸다. 인덕터(L1)는 기계적인 관성력(질량 또는 운동량)에 상응하는 등가 인덕턴스를 나타낸다. 캐패시터(Co)는 전극들 사이의 정전용량(병렬 등가 캐패시터)에 상응한다. 압전 공진기(21)는 압전기판의 표면에 형성되는 한 쌍의 전극들로 이루어진다. 압전 기판은 폴링처리(poling treatment)를 받는다. 따라서, 압전 공진기(21)에서, 인덕터(L1)와 캐패시터(C11)에 기반한 공진 주파수(fr)를 가지는 직렬 공진이 발생되고 주로 캐패시터(Co)와 인덕터(L1)에 기반한 반공진 주파수(fa)를 가지는 병렬 공진이 발생된다. 반공진 주파수(fa)는 공진 주파수(fr)보다 크다. 공진 주파수(fr)와 반공진 주파수(fa) 사이의 주파수 범위에서, 인덕터(L1)의 인덕턴스는 압전 공진기(21)의 임피던스의 지배성분이 된다. 달리 말하여, 도 3을 참조하면, 압전 공진기(21)는 공진 주파수(fr)와 반공진 주파수(fa) 사이의 주파수 범위 내에서, 위상이 양인 경우, 유도 임피던스를 가지며 인덕터로서 등가적으로 작동한다. 공진 주파수(fr) 아래의 주파수 또는 반공진 주파수(fa)보다 높은 주파수에 대하여, 압전 공진기(21)는, 위상이 음인 용량성 임피던스를 가지며 캐피시터로서 등가적으로 작동한다.
도 2c는 고주파 전압 발전기(11)에 의해 발전된 전압의 주파수가 공진 주파수(fr) 내지 반공진 주파수(fa)의 주파수 범위 내에 있는 주파수인 경우에 대한 제1실시예에 따른 전력 전송 장치(101)의 등가회로이다. 캐패시터(C1)와 인덕터(L1)로 이루어진 LC 공진회로의 공진 주파수는 고주파 전압 발전기(11)에 의해 발전된 고주파 전압의 주파수가 되도록 설정된다. 그 결과, 도 2c에 도시된 회로는 승압회로로서 작동한다.
제1실시예의 전력 전송 장치에 따르면, 도 2c에 도시된 인덕터(l1)가 자기 코어와 권선으로 이루어진 경우와 비교할 때, 전력 전송 장치는 크기가 축소될 수 있고 자속의 누설이 줄어들 수 있다.
압전 공진기를 구비하는 압전 장치들은 권선의 코일들과 비교하여 높은 Q 인자를 가진다. 따라서, 압전 장치가 인덕터로 사용되는 경우, 전송 효율은 증가될 수 있다.
[제2실시예]
도 4a는 제2실시예에 따른 결합되지 않은 전력 수신 장치(201)의 회로도이다. 전력 수신 장치(201)는 압전 공진기(22)와 부하(RL)를 구비한다. 등가 캐패시터(C2)는, 전력 전송 장치가 없을 때 2개의 전동 전극들 사이에서 얻은 정전용량을 나타낸다. 압전 공진기(22)와 부하(RL)는 캐패시터(C2)에 직렬로 연결된다.
도 4b는 압전 공진기(22)의 등가회로이다. 도면에 도시된 바와 같이, 압전 공진기(22)는 캐패시터(Co)로 이루어진 병렬 회로와 인덕터(L2)와 캐패시터(C21)로 이루어진 직렬 회로로 나타낸다. 등가회로는 제1실시예의 도 2b에 도시된 것과 유사하고 도 3에 도시된 것들과 유사한 주파수 특성을 가진다.
도 4c는 캐패시터(C2)의 용량성 결합을 통하여 수신된 전압의 주파수가 도 3에 도시된 공진 주파수(fr) 내지 반공진 주파수(fa)의 범위에 있는 주파수인 경우에 대한 제2실시예에 따른 전력 수신 장치(201)의 등가회로이다. 인덕터(L2)와 캐패시터(C2)로 이루어진 LC 공진회로의 공진 주파수는 용량성 결합을 통하여 수신된 전압의 주파수와 같다. 도 4c에 도시된 회로는 전력 전송 장치와 결합될 때 강압회로로서 작동한다.
제2실시예의 전력 수신 장치에 따르면, 전력 수신 장치는 도 4c에 도시된 인덕터(L2)가 자기 코어와 권선으로 이루어지는 경우와 비교하여 크기가 축소될 수 있고 자속의 누설이 감소될 수 있다.
[제3실시예]
모든 전극들이 (공기와 진공을 포함하는) 유전 매체를 통하여 상호작용하고 있다. 4개의 전극들(하나의 발전기, 하나의 부하)의 경우의 유사 정적 상황(무시할 수 있는 먼 장 복사)은 10개의 다른 정전용량 계수를 포함하는 4X4 매트릭스로 완전히 기술된다. 시스템의 2 포트 설명의 경우, 전력 전송은 2개의 결합된 등가 캐패시터들(C1, C2)과 상호 정전용량(CM)에 의한 고전적인 회로 기판에서 완전히 표현되거나 결합 인자(k)와 동등하게 표현된다. 이러한 값들은 원래의 매트릭스의 10개의 독립적인 일반 계수들에서 유도될 수 있고 다음과 같이 2포트 3계수 결합 모델로 볼 수 있다.
일부 실제적인 상황들에서, 거동은 예를 들어 한편으로는 능동 전극들에서와 다른 한편으로는 수동 전극들에서 사이의 결합 계수들을 포함하는 많은 특정 계수들 중 일부 특정 계수들에 의해 지배될 수 있다.
도 5는 제3실시예에 따른 전력 전송 시스템(301)의 회로도이다. 전력 전송 시스템(301)은 제1실시예에서 설명된 전력 전송 장치(101)와 제2실시예에서 설명된 전력 수신 장치(201)로 이루어진다. 전력 전송 장치(101)의 캐패시터(C1)는 에너지 전송에 관한 2포트 모델에 따른 전력 수신 장치(201)의 캐패시터(C2)와 결합됨으로서 전기 전력은 전력 전송 장치(101)로부터 전기장을 통하여 전력 수신 장치(201)로 전송된다.
여기에서, 상호 정전용량(CM)과 결합계수(k)는 다음과 같은 관계를 가진다.
K=CM/SQRT(C1*C2)
도 6은 긴 개방형 단부를 가지는 전력 전송 시스템(301)의 예시적인 구성을 도시한다. 전력 전송 장치(10)는 고주파 전압 발전기(11), 압전 공진기(21), 전력 전송 장치측 수동 전극(2), 그리고 전력 전송 장치측 능동 전극(3)을 구비한다. 전력 수신 장치(201)는 압전 공진기(22), 부하(RL), 전력 수신 장치측 수동 전극(7), 그리고 전력 수신 장치측 능동 전극(6)을 구비한다. 전력 전송 장치(101)의 능동 전극(3)과 전력 수신 장치(201)의 능동 전극(6)은 서로 근접하게 위치되고 고전기장 영역(4)로 감싸이고, 전력 전송 장치와 전력 수신 장치는 발전되는 전동 전극들과 주변의 유전 매체를 통하여 용량성으로 결합된다.
도 7은 제3실시예에 따른 전력 전송 시스템(301)의 개략적인 단면도이다. 본 실시예에서, 전력 전송 장치(101)의 수동 전극(2)은 전력 수신 장치(201)의 수동 전극(7)로 약간 연장되도록 마주한다. 전력 전송 장치측 능동 전극(3)과 능동 전극(3)을 절연된 상태로 감싸는 전력 전송 장치측 수동 전극(2)은 전력 전송 장치(101)의 케이싱의 상부면 근처에 형성된다. 더욱이, 능동 전극(3)과 수동 전극(2) 사이에 고주파 전압을 인가하는 고주파 전압 발전회로(1)는 전력 전송 장치(101)의 케이싱 내부에 마련된다. 고주파 전압 생성 회로(1)는 고주파 전압 발전기(11)와 압전 공진기(21)로 이루어진 회로이다.
전력 전송 장치(101)의 케이싱은 예를 들어 능동 전극(3)과 수동 전극(2)을 그 안에 일체화시키는 방식으로 구성되는 ABS 수지로 제작되는 일체형 플라스틱 몸체이며, 이렇게 됨으로써 케이싱의 외표면은 절연된 구조를 가진다.
전력 수신 장치측 능동 전극(6)과 능동 전극(6)을 절연된 상태로 감싸는 전력 수신 장치측 수동 전극(7)은 전력 수신 장치(201)의 케이싱의 하부면 근처에 마련된다. 더욱이, 능동 전극(6)과 수동 전극(7) 사이에서 유도되는 전기 전력에 대한 부하 회로(5)는 전력 수신 장치(201)의 케이싱 내부에 마련된다. 부하회로(5)는 압전 공진기(22), 권선 변압기(T2), 그리고 부하(RL)로 이루어진 회로이다.
전력 수신 장치(201)의 케이싱은 예를 들어 능동 전극(6)과 수동 전극(7)을 그 안에 일체화시키는 방식으로 형성되는 ABS 수지로 제작되는 일체형 플라스틱 몸체이며, 이렇게 됨으로써 케이싱의 외표면은 절연될 구조를 가진다.
전력 전송 장치(101)의 능동 전극(3)은 원처럼 형성된다. 수동 전극(2)은 능동 전극(3)을 위하여 원형 개구를 구비한다. 달리 말하면, 수동 전극(2)은 절연된 상태로 능동 전극(3)을 감싸도록 배열된다. 또한, 전력 수신 장치(201)에서, 능동 전극(6)은 원처럼 형성되고 수동 전극(7)은 능동 전극(6)을 위하여 원형 개구를 구비한다. 수동 전극(7)은 능동 전극(6)을 절연된 상태로 감싸도록 배열된다.
[제4실시예]
고주파 전압 발전기(11)에 의해 발전된 전압이 낮고 전력 전송 장치와 전력 수신 장치 사이에 강한 결합이 있다면, 충분한 전력 전송을 위해 필요한 고전압이 제1실시예에서 설명한 전력 전송 장치(101)의 공진에 의해 전압을 승압함으로써 얻어지지 않는 경우에 있을 수 있다. 이러한 경우, 권선 변압기(T)는 전력 전송 장치의 압전 공진기 앞에 단계에 마련될 수 있어서, 아래의 제4실시예에서 설명하는 바와 같이 압전 공진기(21)에 인가된 전압을 증가시킨다.
제4실시예에 따른 전력 전송 장치를 도 8a 내지 8c를 참조하여 설명한다.
도 8a는 제4실시예에 따른 전력 전송 장치(102)의 회로도이다. 전력 전송 장치(102)는 고주파 전압 발전기(11), 권선 변압기(T1), 압전 공진기(21), 그리고 등가 캐패시터(C1)를 구비한다. 고주파 전압 발전기(11)는 권선 변압기(T1)의 일차측에 연결되고 압전 공진기(21)와 캐패시터(C1)으로 이루어진 직렬 회로는 권선 변압기(T1)의 이차측에 연결된다.
도 8b는 압전 공진기(21)의 등가회로이다. 압전 공진기(21)는 캐패시터(Co)로 이루어진 병렬 회로와 인덕터(L1)와 캐패시터(C11)로 이루어진 직렬 회로로 나타난다. 캐패시터(C11)는 기계적인 스프링이나 고무의 탄성력에 상응하는 등가 컴프라이언스(equivalent compliance)를 나타낸다. 인덕터(L1)는 기계적 관성력(질량 또는 운동량)에 상응하는 등가 인덕턴스를 나타낸다. 캐패시터(Co)는 전극들 사이의 정전용량(병렬 등가 정전용량)에 상응한다. 압전 공진기(21)는 압전 기판의 표면에 형성되는 한 쌍의 전극들로 이루어진다. 압전 기판은 폴링처리를 겪었다. 따라서, 압전 공진기(21)에서, 인덕터(L1)와 캐패시터(C11)를 기반한 공진 주파수(fr)를 가지는 직렬 공진이 발생되고 주로 캐패시터(Co)와 인덕터(L1)에 기반한 반공진 주파수(fa)를 가지는 병렬 공진이 발생된다. 반공진 주파수(fa)는 공진 주파수(fr)보다 높다. 공진 주파수(fr)와 반공진 주파수(fa) 사이의 주파수 범위에서, 인덕터(L1)와 인덕턴스는 압전 공진기(21)의 임피던스의 지배 성분이 된다. 달리 말하면, 도 3을 참조할 때, 압전 공진기(21)는 공진 주파수(fr)와 반공진 주파수(fa) 사이의 주파수 범위 내에서, 위상이 양인 경우, 유도 임피던스를 가지며 인덕터로서 등가적으로 작동한다. 예를 들면, 공진 주파수(fr) 아래의 또는 반공진 주파수(fa)보다 높은 주파수에 대하여, 압전 공진기(21)는, 위상이 음인 경우, 정전용량 임피던스를 가지며 캐피시터로서 등가적으로 작동한다.
도 8c는 고주파 전압 발전기(11)에 의해 발전된 주파수가 공진주파수(fr) 내지 반공진 주파수(fa)의 주파수 범위에 있는 주파수인 경우에 대한 제4실시예에 따른 전력 전송 장치(102)의 등가회로이다. 캐패시터(C1)와 인덕터(L1)로 이루어진 LC 공진 회로(정확하게 말하면, 캐패시터(C1)의 정전용량과 인덕터(l1)의 인덕턴스와 통합되는 권선 변압기(T1)의 이차측 누설 인덕턴스의 인덕턴스로 이루어진 LC 공진 회로)의 공진 주파수는 고주파 전압 발전기(11)에 의해 발전된 고주파 전압의 주파수가 되도록 설정된다. 그 결과, 권선 변압기(T1)과 LC 공진 회로는 승압 회로로서 작동한다. 권선 변압기(T1)의 일차 및 이차 권선의 권수는 캐패시터(C1)로 소정의 고전압을 출력하는데 필요한 승압비를 구현하도록 적절하게 설정된다. 예를 들면, 고주파 전압 발전기(11)는 권선 변압기(T1)에 의해 50 내지 240V로 승압되는 5 내지 12V의 고주파 전압을 발전한다.
제4실시예의 전력 전송 장치에 따르면, 도 8c에 도시된 인덕터(L1)가 자기 코어와 권선으로 이루어진 경우에 비하여, 전력 전송 장치는 크기가 축소될 수 있고 자속의 누설이 감소될 수 있다. 더욱이, 권선 변압기는, 도 8c에 도시된 등가회로에서의 인덕터(L1)가 권선 변압기의 이차측 누설 인덕턴스로 이루어진 경우에 비하여, 크기가 축소될 수 있다.
압전 공진기를 구비하는 압전 장치들은 권선 코일에 비하여 높은 Q 인자를 가진다. 그러므로, 압전 장치가 인덕터로서 사용되는 경우, 전송 효율은 증가될 수 있다.
권선 변압기(T1)는 바람직하게는 권선의 외측에 배열되는 자기 코어를 가지며 원하지 않는 자계의 작은 누설을 발생시키는 외철형 변압기와 같은 폐쇄 자기 회로 권선 변압기가 되어 원하지 않은 자속의 누설을 방지한다.
더욱이, 권선 변압기(T1)의 결합 계수는 바람직하게 높다.
나아가, 권선 변압기(T1)는 고주파 전압 발전기(11)에 의해 발전된 고주파 전압이 충분히 높을 때 생략될 수 있다.
[제5실시예]
고주파 전압 발전기(11)에 의해 발전된 전압이 낮고 전력 전송 장치와 전력 수신 장치 사이에 강한 결합이 있다면, 충분한 전력 전송이 제2실시예에서 설명한 전력 전송 장치(201)의 공진에 의해 강압된 전압에 의해 구현되지 않는 경우에 있을 수 있다. 이러한 경우, 권선 변압기(T)는 전력 전송 장치의 압전 공진기 뒤의 단계에 마련될 수 있어서, 아래의 제5실시예에서 설명하는 바와 같이, 적절한 강압비를 사용하는 소정의 전압을 얻는다.
도 9a는 제5실시예에 따른 전력 수신 장치(202)의 회로도이다. 전력 수신 장치(202)는 등가 캐패시터(C2). 압전 공진기(22), 권선 변압기(T2), 그리고 부하(RL)를 구비한다. 압전 공진기(22)와 캐패시터(C2)로 이루어진 직렬 회로는 권선 변압기(T2)의 일차측에 연결되고 부하(RL)는 권선 변압기(T2)의 이차측에 연결된다.
도 9b는 압전 공진기(22)의 등가회로이다. 도면에 도시된 바와 같이, 압전 공진기(22)는 캐패시터(Co)로 이루어진 병렬 회로와 인덕터(L2)와 캐패시터(C21)로 이루어진 직렬 회로로 나타난다. 이러한 등가 회로는 제1실시예에서 도 2b에 도시된 것과 유사하고 도 3에 도시된 것들과 유사한 주파수 특성을 가진다.
도 9c는 캐패시터(C2)를 경유한 용량성 결합을 통하여 수신된 전압의 주파수가 도 3에 도시된 공진주파수(fr) 내지 반공진주파수(fa)의 주파수 범위에 있는 주파수인 경우에 대한 제5실시예에 다른 전력 수신 장치(202)의 등가회로이다. 인덕터(L2)와 캐패시터(C2)로 이루어진 LC 공진 회로(정확하게 말하면, 권선 변압기(T2)의 일차측 누설 인덕턴스, 인덕터(L2)의 인덕턴스와 캐패시터(C2)의 정전용을 통합화여 이루어진 LC 공진 회로)의 공진 주파수는 C2를 경유하여 용량 결합을 통하여 수신된 고주파 전압의 주파수가 되도록 설정된다. 그 결과, 권선 변압기(T2)과 LC 공진 회로는 강압 회로로서 작동한다. 권선 변압기(T2)의 일차 및 이차 권선의 권수는 부하(RL)로 소정의 전압을 출력하는데 필요한 강압비를 구현하도록 적절하게 설정된다. 예를 들면, 100V 내지 3kV의 고주파 전압은 캐패시터(C2) 안에서 감소되고 권선 변압기(T2)는 이 전압을 5 내지 24V로 강압한다.
제5실시예의 전력 수신 장치에 따르면, 도 9c에 도시된 인덕터(L2)가 자기 코어와 권선으로 이루어진 경우에 비하여, 전력 수신 장치는 크기가 축소될 수 있고 자속의 누설은 감소될 수 있다. 더욱이, 권선 변압기는, 도 9c에 도시된 등가회로에서의 인덕터(L2)가 권선 변압기의 일차측 누설 인덕턴스로 이루어진 경우에 비하여, 크기가 축소될 수 있다.
권선 변압기(T2)는 바람직하게는, 권선의 외측에 배열되는 자기 코어를 가지고 작은 원하지 않은 자계를 발생시키는 외부 자석 변압기와 같은 폐쇄 자기 회로 권선 변압기가 되어 원하지 않은 자속의 누설을 방지한다.
[제6실시예]
도 10은 제6실시예에 따른 전력 전송 시스템(302)의 회로도이다. 전력 전송 시스템(302)은 제4실시예에서 설명된 전력 전송 장치(102)와 제5실시예에서 설명된 전력 수신 장치(202)로 이루어진다. 전력 전송 장치의 캐패시터(C1), 전력 수신 장치의 캐패시터(C2), 그리고 계수(k)는 유사 정적 전계를 통한 결합의 2포트 표시이다.
[제7실시예]
도 11a는 제7실시예에 따른 전력 전송 시스템(303)의 회로도이고 도 11b는 그 등가회로이다. 전력 전송 시스템(303)은 전력 전송 장치( 103 )와 전력 수신 장치(203)으로 이루어진다.
전력 전송 장치(103)는 고주파 전압 발전기(11), 압전 변압기(31), 그리고 결합 개패시터(C1)로 이루어진다. 전력 수신 장치(203)는 결합 캐패시터(C2), 압전 변압기(32), 그리고 부하(RL)로 이루어진다.
압전 변압기(31), 일차측 전극들(E11, E12), 그리고 이차측 전극(E20)은 사각 평행육면체와 같은 형상을 가지는 압전 세라믹 기판에 형성된다. 압전 기판의 일차측은 전극(E11)에서 전극(E12)로 이어지는 방향으로 폴링된다. 세라믹 기판의 이차측은 전극들(E11, 12)에서 전극(E20)으로 이어지는 방향으로 폴링된다. 고주파 전압이 일차측 전극들(E11, E12)에 인가될 때, 에너지는 일차측 역압전 효과에 의해 탄성 에너지로 변환되고 탄성 에너지는 이차측 압전 효과에 의해 전기 에너지로 다시 변환된다.
도 11b에 도시된 바와 같이, 압전 변압기(31)의 등가회로는 이상적인 변압기(T11), 캐패시터들(C10, C11, C12), 그리고 인덕터(L11)를 구비한다. 캐패시터들(C10, C12)은 부유용량에 상응하고 캐패시터(C11)와 인덕터(L11)는 전자기계적인 매개변수들이다. 압전 변압기(31)의 공진 주파수는 주로 캐패시터(C11)와 인덕터(L11)로 이루어진 공진 회로의 공진에 의해 결정된다. 전기 에너지의 변환이 탄성 진동을 통하여 수행되므로, 탄성파 전파속도와 압력 세라믹 기판의 치수에 의해 결정되는 특성 공진 주파수 근처의 주파수가 사용된다. 달리 말하면, 고주파 전압 발전기(11)에 의해 발전된 고주파 전압은 압전 변압기(31)의 공진 주파수 근처에 있도록 설정된다.
압전 변압기(32)는 기본적으로 압전 변압기(31)과 같은 구성을 가진다. 그러나, 일차측과 이차측 사이의 관계는 반대이다. 즉, 에너지는 일반적으로 이차측에 있는 전극(E20)으로부터 압전 변압기(32)로 입력되고 에너지는 일반적으로 일차측에 있는 전극들(E11, E12)로부터 출력된다.
도 11b에 도시된 바와 같이, 압전 변압기(32)의 등가회로는 이상적인 변압기(T21), 캐패시터(C20, C21, C22), 그리고 인덕터(L21)를 구비한다. 캐패시터들(C20, C22)은 부유 용량에 상응하고 캐패시터(C21)와 인덕터(L21)는 전자기계적인 매개변수들이다. 압전 변압기(32)의 공진 주파수는 캐패시터(C21)와 인덕터(L21)로 이루어진 공진 회로의 공진에 의해 주로 결정된다. 캐패시터(C2) 내에서 유도된 전압은 전극(E20)에 인가되고, 그 에너지는 이차측 역압전 효과 때문에 탄성 에너지로 변환되고, 탄성 에너지는 일차측 압전 효과에 의해 전기 에너지로 다시 변환된다. 고주파 전압 발전기(11)에 의해 발전된 고주파 전압의 주파수는 압전 변압기(32)의 공진 주파수가 되도록 설정된다.
예를 들면, 고주파 전압 발전기(11)는 5 내지 12V의 고주파 전압을 발전시키고 압전 변압기(31)는 이 전압을 100V 내지 3kV로 승압한다. 압전 변압기(32)는 캐패시터(C2)에서 유도된 100V 내지 3kV의 전압을 5 내지 12V로 강압하고 강압된 전압을 부하(RL)로 출력한다.
이러한 방식으로, 승압회로로서 압전 변압기를 사용함으로써, 승압 권선 변압기를 사용하는 경우와 비교할 때, 전력 전송 장치는 크기가 축소될 수 있고, 자속의 누설은 방지될 수 있다.
더욱이, 통상 승압 변압기로서 사용되는, 전력 수신 장치에서 강압 변압기로서 압전 변압기를 사용함으로써, 강압 권선 변압기를 사용하는 경우와 비교할 때, 전력 수신 장치는 크기가 축소될 수 있고 자속의 누설은 방지될 수 있다.
[제8실시예]
(통상의 코일들과 비교할 때) 압전 재료들의 매우 높은 내부 Q 인자들은 2개의 동조된 회로들 사이에서 매우 날카로운 주파수 동조에 대한 조건들을 만족시킴을 의미한다. 진동하는 전압에 더하여, 연속적인 전압이 일차 전극들을 가로질러 인가되면, 이러한 전압은 재료 내부에서 공진 주파수가 약간 변하게 하는 연속적인 변형을 발생시킨다. 그러므로, 동조는 오직 Q 인자 상의 작은 효과뿐이라면 가능하다. 이러한 동조 기법은 전력 전송 장치와 전력 수신 장치 사이의 다양한 결합 조건들에 장치를 적응시키는데 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 조정가능한 캐패시터들이나 인덕터들과 같은 기계적이거나 순수하게 전기적은 수단이 사용된다.
[다른 실시예들]
부하(RL)가 상술한 실시예들에서 보여준 AC 부하인 예들인 반면, 본 발명은 정류 및 평활회로를 제공함으로써 DC 부하의 경우에 적용될 수 있다.
권선 변압기들은 제4실시예의 전력 전송 장치(102)와 전력 수신 장치(202)에 모두 사용되며, 압전 변압기들은 제5실시예의 전력 전송 장치(103)와 전력 수신 장치(203)에 모두 사용된다. 그러나, 전력 전송 장치와 전력 수신 장치 중 하나에 권선 변압기를 제공함으로서 압전 공진기 도는 압전 변압기가 서로 안에 마련될 수 있다.
나아가, 압전 변압기는 전압 변환 회로와 결합될 수 있다. 예를 들면, 전력 전송 장치에서, 충분한 승압비가 압전 변압기만으로 얻어지지 않을 때, 또는 충분한 승압비가 권선 변압기만으로 얻어지지 않을 때, 압전 변압기는 권선 변압기에 의해 승압된 전압에 의해 구동되도록 구성될 수 있다. 이와 유사하게, 전력 수신 장치에서, 충분한 강압비가 압전 변압기만으로 얻어지지 않을 때, 또는 충분한 강압비가 권선 변압기만으로 얻어지지 않을 때, 권선 변압기는 압전 변압기에 의해 강압된 전압을 더 강압하도록 구성될 수 있다. 이러한 조합을 통하여, 임피던스 정합은 고임피던스 용량성 결합부위와 저임피던스 고주파 전압 생성 회로 사이에서 또는 고임피던스 용량성 결합 부위와 저임피던스 부하 사이에서 구현될 수 있다.
C1, C2: 캐패시터 C10, C11, C12: 캐패시터
C20, C21, C22: 캐패시터 Co: 캐패시터
E11, E12: 일차측 전극 E20: 이차측 전극
L1: 인덕터 L11: 인덕터
L2: 인덕터 L21: 인덕터
RL: 부하 T1: 권선 변압기
T11: 이상적인 변압기 T2: 권선 변압기
T21: 이상적인 변압기 1: 고주파 전압 생성 회로
2: 전력 전송 장치측 수동 전극 3: 전력 전송 장치측 능동 전극
5: 부하 회로 6: 전력 수신 장치측 능동 전극
7: 전력 수신 장치측 수동 전극 11: 고주파 전압 발전기
21, 22: 압전 공진기 31, 32: 압전 변압기
101, 102, 103: 전력 전송 장치 201, 202, 203: 전력 수신 장치
301, 302, 303: 전력 전송 시스템

Claims (13)

  1. 전력 전송 장치측 능동 전극;
    전력 전송 장치측 수동 전극; 및
    상기 전력 전송 장치측 능동 전극과 상기 전력 전송 장치측 수동 전극 사이에 연결되는 고주파 전압 생성 회로;를 포함하고,
    상기 고주파 전압 생성 회로는 LC 공진 회로를 가지는 승압 회로를 구비하고,
    상기 LC 공진 회로의 인덕터는 압전소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 전송 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 LC 공진 회로의 캐패시터는 상기 전력 전송 장치측 능동 전극과 상기 전력 전송 장치측 수동 전극 사이에 발전된 정전용량에 상응하는 것을 특징으로 하는 전력 전송 장치
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 고주파 전압 생성 회로에 의해 발전된 전압의 주파수는 상기 압전 소자가 유도되는 주파수인 것을 특징으로 하는 전력 전송 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 압전 소자는 압전 공진기 또는 압전 변압기인 것을 특징으로 하는 전력 전송 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 승압 회로는 전압 변환 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 전송 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 압전 소자의 공진 주파수를 동조하는 동조 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 전송 장치.
  7. 전력 수신 장치측 능동 전극;
    전력 수신 장치측 수동 전극; 및
    상기 전력 수신 장치측 능동 전극과 상기 전력 수신 장치측 수동 전극 사이에 연결되는 부하 회로;를 포함하고,
    상기 부하 회로는 LC 공진 회로를 가지는 강압 회로를 구비하고 상기 LC 공진 회로의 인덕터는 압전소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 수신 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 LC 공진 회로의 캐패시터는 상기 전력 수신 장치측 능동 전극과 상기 전력 수신 장치측 수동 전극 사이에서 발전되는 캐패시터에 상응하는 것을 특징으로 하는 전력 수신 장치.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 부하 회로로 입력되는 전압의 주파수는 상기 압전 소자가 유도되는 주파수인 것을 특징으로 하는 전력 수신 장치.
  10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 압전 소자는 압전 공진기 또는 압전 변압기인 것을 특징으로 하는 전력 수신 장치.
  11. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 강압 회로는 전압 변환 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 수신 장치.
  12. 전력 전송 장치측 능동 전극 및 전력 전송 장치측 수동 전극을 포함하는 전력 전송 장치;
    상기 전력 전송 장치측 능동 전극과 상기 전력 전송 장치측 수동 전극 사이에 연결되는 고주파 전압 생성 회로; 및
    전력 수신 장치측 능동 전극, 전력 수신 장치측 수동 전극, 및 상기 전력 수신 장치측 능동 전극과 상기 전력 수신 장치측 수동 전극 사이에 연결되는 부하 회로를 포함하는 전력 수신 장치;를 포함하는 전력 전송 시스템으로서;
    상기 전력 전송 장치는 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 상기 전력 전송 장치인 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  13. 전력 전송 장치측 능동 전극 및 전력 전송 장치측 수동 전극을 포함하는 전력 전송 장치;
    상기 전력 전송 장치측 능동 전극과 상기 전력 전송 장치측 수동 전극 사이에 연결되는 고주파 전압 생성 회로; 및
    전력 수신 장치측 능동 전극, 전력 수신 장치측 수동 전극, 및 상기 전력 수신 장치측 능동 전극과 상기 전력 수신 장치측 수동 전극 사이에 연결되는 부하 회로를 포함하는 전력 수신 장치;를 포함하는 전력 전송 시스템으로서,
    상기 전력 수신 장치는 제 7 항 또는 제 8 항에 따른 상기 전력 수신 장치인 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
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